Cálculo de tempos e custos de maquinagem

Universidade de Aveiro Ano 2017

Departamento de Engenharia Mecânica

José António

Oliveira Ferreira

Universidade de Aveiro Ano 2017

Departamento de Engenharia Mecânica

José António Oliveira

Ferreira

Cálculo de tempos e custos de maquinagem

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor João Paulo Davim, Associado C/ Agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro

o júri

presidente Prof. Doutor José Paulo Oliveira Santos

Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Francisco José Gomes da Silva

Professor Adjunto, Instituto Superior de Engenharia do Porto

Prof. Doutor João Paulo Davim Tavares da Silva

agradecimentos Desde já agradeço ao Professor Doutor João Paulo Davim e ao Mestre António Festas pelo apoio e orientação dados ao longo do desenvolvimento deste trabalho. Às empresas que disponibilizaram orçamentos que neste trabalho são denominadas, por empresa A, B e C.

Agradeço aos meus colegas de curso e aos amigos que fiz no Departamento de Física.

Aos amigos que fiz nas residências que me acompanharam ao longo deste percurso.

À minha família pela paciência e por todo o apoio que me deram.

Aos meus grandes amigos Gil e Tiago, que sempre estiveram do meu lado e que merecem destaque.

E por fim, a todos aqueles que fazem parte da minha vida.

palavras-chave CNC, CAM, estimativa de custos, maquinagem, tempo de maquinagem, custo de maquinagem

resumo Este trabalho analisa os diferentes modelos que possibilitam a realização de um orçamento para peças maquinadas e salienta as variáveis que terão influência decisiva nesse processo como, por exemplo, o fator tempo, a complexidade geométrica e a rugosidade da peça. As operações do processo em questão são a fresagem, o torneamento e a furação.

Através da revisão bibliográfica, entende-se o que é um custo, o papel de diferentes métodos de custo, assim como a informação necessária, para se criar um orçamento. Esta revisão aborda a maquinagem a um nível económico e como a introdução de tecnologias mais avançadas, permite otimizar o tempo de maquinagem.

A metodologia desenvolvida foca-se na criação de relações entre os parâmetros de corte para as diferentes operação e o custo, parâmetros estes obtidos pela associação de geometria base-operação-ferramenta-máquina-ferramenta. De forma a testar a metodologia, criaram-se dois casos de estudo, uma peça cilíndrica e outra prismática, para ser possível abordar as operações em questão. Orçamentos para estas peças foram solicitados a empresas externas, para avaliar o custo obtido teoricamente, com orçamentos propostos a outras empresas.

Neste trabalho, concluiu-se que os sistemas CNC aumentam a eficiência da maquinagem, porque reduzem os tempos improdutivos das operações. O aumento das peças a fabricar, faz com que o custo e o tempo de fabrico por peça, tendam para um valor constante. E, por fim, conclui-se que uma estimativa precisa (orçamento), permite que uma empresa seja mais competitiva e mais eficiente, nas decisões tomadas nas fases iniciais de planeamento de produção.

keywords CNC, CAM, cost estimating, machining, machining time, machining cost

abstract This work analyzes the different models that allow the realization of a budget for machined parts and emphasizes the variables that will have decisive influence in this process as for example the time factor, the geometric complexity and the parts roughness. The operations of the process in question are milling, turning and drilling.

Through bibliographic review, it is understood what a cost is, the role of different cost methods and the necessary information to create a budget. This review discusses machining as an introduction of more advanced technologies to optimize machining time (CNC).

A develop, methodology focuses on the creation of relations between the cut parameter for the different operations and the cost. These parameters are obtained by the association of geometrical feature-operation-tool-machine-tool. In order to test the methodology, two case studies were created, one cylindrical and another prismatic, to approach the operations. Budgets for these parts were requested from external companies, to evaluate the theoretically results. In this work it was concluded that CNC systems increase the efficiency of the use of the machine tool. The increase of the parts to be manufactured, makes the cost and the time of manufacture per part, tend to a constant value. Finally, it is concluded that a precise estimate (budget) allows a company to be more competitive and more efficient regarding in the decisions taken in the initial stages of production planning.

Índice

2. Cálculo de custos de maquinagem 3

2.1. Custo 3

2.2. Métodos de Estimativa 5

2.3. Dados necessários para realizar um orçamento 7

3. Metodologia 17

3.1. Formulação do problema 17

3.2. Relações dos parâmetros de maquinagem com o custo 18

3.3. Informação necessária para o sistema que avalia os custos 22

4. Casos de estudo 25

4.1. Caracterização dos casos de estudo 25

5. Análise e Discussão de resultados 37

5.1. Análise de tempo de maquinagem 37

5.2. Análise de custo de maquinagem 41

5.3. Análise de orçamentos de empresas 45

6. Conclusões e trabalho futuro 49

Referências 51

i

Lista de Figuras

Figura 1: Setores de uma empresa (Adaptado de Rajkumar 2011) 3

Figura 2: Influencia dos diferentes departamentos de uma empresa nos custos futuros de um produto (Adaptado

de Souchoroukov, 2004) 5

Figura 3: Métodos de estimativa de custos (Adaptado de Niazi 2006) 6

Figura 4: a) Torneamento: 1 – rotação da peça, 2 – avanço da ferramenta, 3 – penetração; b) Fresagem 9

Figura 5: Fresagem com fresa a) avanço por dente de uma fresa, b) largura de corte com uma fresa 10

Figura 6: Fatores que influenciam o custo total de um produto 14

Figura 7: Folha de orçamento proposta 23

Figura 8: Representação das peças a maquinar: (a) peça P1 (b) peça P2 25

Figura 9: Geometrias base e respetivas entidades das peças a maquinar 26

Figura 10: Variáveis para calcular o volume removido de material 31

Figura 11: Tempo de maquinagem utilizando CNC. Esquerda P1 e direita P2 38

Figura 12: Tempo de maquinagem por peça de P1 e P2 com variação do tamanho de lote 39

Figura 13: Peso dos diferentes tempos de fabrico da peça P1 a)1 unidade de produção, b)30 unidades de produção, c)300 unidades de produção. Tn-Tempo improdutivo, To-Tempo de operação, Tlt-Tempo de

carregamento/descarregamento da peça, Ttf-Tempo de troca de ferramenta, Ts-Tempo de set-up 40

Figura 14: Peso dos diferentes tempos de fabrico da peça P2 para a)1 unidade de produção, b)30 unidades de produção, c)300 unidades de produção. Tn-Tempo improdutivo, To-Tempo de operação, Tlt-Tempo de

carregamento/descarregamento da peça, Ttf-Tempo de troca de ferramenta, Ts-Tempo de set-up 41

Figura 15: Custo de maquinagem por peça de P1 e P2 com variação do tamanho de lote 43

Figura 16: Peso dos diferentes custos de fabrico da peça para P1 a)1 unidade de produção, b)30 unidades de produção, c)300 unidades de produção. C1-Custo de remoção de material, C2-Custo da ferramenta, C3-Custo

de máquina parada, Cma-Custo do material 44

Figura 17: Peso dos diferentes custos de fabrico da peça P2 a)1 unidade de produção, b)30 unidades de produção, c)300 unidades de produção. C1-Custo de remoção de material, C2-Custo da ferramenta, C3-Custo

de máquina parada, Cma-Custo do material 44

Figura 18: Orçamento proposto pelas empresas e o obtido teoricamente para a peça P1 46

ii

Lista de Tabelas

Tabela 1: Recursos específicos associados aos diferentes custos (Adaptado de Rajkumar 2011). 4

Tabela 2: Dados necessários para se realizar um orçamento preciso (Adaptado Rajkumar, et al 2011) 7

Tabela 3: Melhorias em relação a métodos convencionais (Davim e Correia 2006) 13

Tabela 4: Inputs do sistema de estimativa (Jung 2002) 18

Tabela 5: Tempos de set-up para algumas máquinas-ferramentas (Adaptado de Singal 2008) 20

Tabela 6: Tempo em segundos de carregamento/descarregamento de diferentes pesos de peças de trabalho

(Adaptado de Singal 2008) 20

Tabela 7: Descrição de semi-produtos utilizados (AÇOS RAMADA 2013) 25

Tabela 8: Associação das geometrias bases encontradas à operação, ferramenta e máquina 27

Tabela 9: Proposta de sequência de maquinagem para a peça P1 28

Tabela 10: Volume a remover face à entidade em questão de P1 29

Tabela 11: Ficha de Fase proposta para P1 (SANDVIK 2015a) 29

Tabela 12: Sequência de maquinagem proposta para a peça P2 30

Tabela 13: Volume a remover face à entidade em questão de P2 32

Tabela 14: Ficha de Fase proposta para P2 (SANDVIK 2015b) 32

Tabela 15: Ferramentas utilizadas do catálogo da Sandvik 33

Tabela 16: Operações para a peça P1 34

Tabela 17: Operações para a peça P2 35

Tabela 18: Tempos de operação de P1 e P2 37

Tabela 19: Tempos de maquinagem para P1 e P2 37

Tabela 20: Tempos de corte por operação obtidos para ambas as peças, pelo Autodesk Fusion 360 38

Tabela 21: Comparação dos valores do software com os calculados teoricamente 39

Tabela 22: Custo de operação para as peças P1 e P2 42

Tabela 23: Custos de maquinagem para P1 e P2 42

Tabela 24: Preço em € + IVA por unidade da empresa A 45

Tabela 25: Preço em € + IVA por unidade da empresa B 45

iii

Simbologia

𝑪𝑴𝒂 Custo por peso de material

𝑫𝑮𝒇 Custo das despesas administrativas

𝑪𝑴 Custo de maquinagem

𝑪𝑴𝒑 Custo de maquinagem por peça

𝑪𝑭 Custo com a ferramenta

𝑳𝒓 Distância percorrida em avanço rápido

𝑫𝟏 Diâmetro inicial da peça

𝑫𝟐 Diâmetro final da peça

𝑫𝒇 Diâmetro da ferramenta

𝒂𝒆 Largura fresada

𝝆 Massa volúmica

𝒛𝒏 Número de dentes da ferramenta

𝑵𝒇 Número de ferramentas usadas

𝒏𝒕 Número de arestas de corte por pastilha 𝒏𝒂 Número de afiações por ferramenta 𝑵𝒅 Número de dentes da ferramenta

𝑪𝒎𝒂 Preço do material

𝒂𝒑 Profundidade de corte

𝑪𝒇 Preço de compra da ferramenta

𝑻 Tempo de vida da ferramenta

𝒕𝒓 Tempo de reposicionamento da peça

𝒕𝒊 Tempo de controlo dimensional

𝑻𝒏 Tempo improdutivo

𝑻𝒐 Tempo de cada operação

𝒕𝒍 Tempo de substituição da ferramenta

𝒕𝒍𝒕 Tempo de carregamento/descarregamento da _peça

𝒕𝒆𝒕 Tempo de aproximação da ferramenta à peça

𝒕𝒕𝒇 Tempo de troca de ferramenta na torreta

𝒕𝒄 Tempo de corte

𝒕𝒗 Tempo em vazio

𝒕𝒔𝒎 Tempo de set-up da máquina

𝒕𝒔𝒕 Tempo de set-up das ferramentas

𝑵 Tamanho de lote 𝑸 Taxa de remoção 𝒗𝒇 Velocidade de avanço 𝒏 Velocidade da árvore 𝒗𝒄 Velocidade de corte 𝑽 Volume a remover

iv

Lista de Abreviaturas

CNC Controlo numérico por computador CAD Desenho assistido por computador CAM Fabrico assistido por computador CPU Unidade central de processamento

1

1.

Introdução

1.1.

Enquadramento

A indústria encontra-se em desenvolvimento, e isso potencia as empresas a manterem-se competitivas, por essa razão, existe uma preocupação em garantir a qualidade dos produtos a baixos preços (Shehab e Abdalla 2001). Um dos processos que permite isso é a maquinagem, amplamente utilizado na indústria de produção de peças, uma vez que permite o fabrico de peças com qualidade, nomeadamente ao nível de precisão e ausência de defeitos, com alguma complexidade num curto espaço de tempo (Winston e Knight 2006).

Atualmente, a maquinagem encontra-se altamente automatizada. Máquinas de controlo numérico por computador, CNC, são usadas e existe uma necessidade económica para as rentabilizar ao máximo. Apesar do seu investimento ser elevado a utilização desta tecnologia aumenta o volume de produção, assim como o seu controlo. A implantação de softwares industriais como o CAD (Computer Aided Design) e o CAM (Computer Aided Manufacturing) aumentam a eficiência dos sistemas CNC, porque permitem otimizar o design das peças que se pretendem fabricar, ao nível da sequência das operações, tempos de corte, etc (Rao 2011 ,Elanchezhian 2005, Lihui Wang et al. 2004).

Vários fatores afetam a produção de uma determinada peça. A previsão destes, numa fase inicial de planeamento, permite detetar erros que possam surgir no futuro, evitando assim paragens posteriores e consequentemente, aumentando a eficiência do processo (Niazi e Dai 2006 ,Yildiz 2013,Lihui Wang et al. 2004). No entanto, para maquinar uma peça, existem várias abordagens possíveis, porque cada uma delas tem custos e níveis de qualidade associados. Geralmente, numa fase inicial, a informação tecnológica para o processo não é detalhada. A máquina-ferramenta, o material, geometria das ferramentas de corte, velocidades, avanços e refrigerantes, são geralmente selecionados pela experiência passada com peças de geometria semelhante, recomendações de handbooks ou dados de catálogos. Mesmo tendo acesso a estas informações, as decisões para orçamentar os custos de produção são complexas, especialmente, quando se lida com fornecedores (Roy 2014, Jung 2002, Shehab e Abdalla 2001).

1.2.

Objetivos

O objetivo principal, é criar uma ferramenta capaz de realizar um orçamento de peças maquinadas, que permita numa fase inicial de conceção de produto avaliar os custos de produção de forma a tornar a empresa competitiva face ao mercado onde se enconctra. Nesse domínio, dever-se-á criar uma metodologia que permita a análise dos custos do processo de maquinagem para peças cilíndricas e prismáticas. Assim sendo, é necessário estudar o custo do tempo de fabrico das seguintes operações: fresagem, torneamento e furação. Além disso, pretende-se também avaliar a variação do custo em

2

função do número de peças a fabricar de um lote. Será, portanto, preciso estudar os diferentes fatores que representam os custos na produção de um produto e analisar os métodos já desenvolvidos por outros investigadores na mesma área de foco.

Com vista a comparar o método realizado, recorreu-se a alguns orçamentos provenientes de empresas da área da metalomecânica, para os mesmos casos de estudo.

1.3.

Estrutura do trabalho

Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos, correspondendo o primeiro a uma introdução geral do problema, na qual se apresentam os objetivos da tese. No capítulo 2, é feita uma investigação sobre os custos de fabrico de uma peça, focando apenas as operações de fresagem, torneamento e furação. O capítulo seguinte, compreende os objetivos da investigação e a metodologia adotada para calcular tempo e custo de maquinagem. No quarto capítulo, são aplicados dois casos de estudo para testar a metodologia desenvolvida anteriormente. No capítulo 5, são apresentados e discutidos os resultados obtidos em ambos os casos. Por fim, o último capítulo compreende as conclusões gerais da dissertação e aborda as perspetivas de trabalho futuro.

3

2.

Cálculo de custos de maquinagem

Neste capítulo será feita uma definição dos vocábulos custos e recursos. Referir-se-ão os métodos utilizados para estimar custos, tendo em conta a sua aplicação ao processo de fabrico, nomeadamente à maquinagem. Referir-se-á ainda a influência do processo de maquinagem no orçamento final, em particular na utilização dos sistemas CNC.

2.1.

Custos e Recursos

Um custo é, resumidamente, a quantidade de dinheiro que se investe em recursos necessários para produzir um produto (Souchoroukov 2004).

Recursos são, por sua vez, bens físicos que permitem a realização de uma determinada operação, por exemplo: máquinas, ferramentas, operadores, materiais, etc. (Jung 2002, Rajkuman 2011). Como se depreende, custos e recursos vivem numa relação de dependência (não se pode conceber uns sem os outros).

Geralmente, numa empresa, o produto passa pelos setores presentes na figura 1:

Figura 1: Setores de uma empresa (Adaptado de Rajkumar 2011)

Embora cada setor apresente recursos específicos, os quais, no final, irão ditar o custo do produto, note-se que os mesmos [recursos] funcionam de modo interligado, sendo, por isso, dependentes (Asiedu e Gu 2010). Assim sendo, não os podemos conceber isoladamente, pelo que não devemos entendê-los como compartimentos estanques. Porém, para facilitar tarefas, podemos atribuir mais responsabilidades aos sectores do design, compras e planeamento pelos custos de desenvolvimento. O setor de produção é, geralmente, responsável pelos custos de fabrico e o setor das vendas é responsável pelas operações de vendas. A soma do custo dos recursos despendidos em cada um dos setores indicará o custo total do produto (ver Tabela 1).

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Tabela 1: Recursos específicos associados aos diferentes custos (Adaptado de Rajkumar 2011).

Custos de

desenvolvimento Custos de fabrico Custos de manutenção Custos externos

Planeamento Máquinas Limpeza Impostos

Investigação Ferramentas Manutenção Reciclagem

Design Mão de obra

Software Operações

Teste e avaliação Controlo de qualidade

Marketing Logística

Material

2.1.1.

Custos diretos e indiretos

Dentro dos vários setores e dos diferentes recursos que cada um tem à sua disposição, há custos que se podem classificar em diretos e indiretos (Souchoroukov 2004). Todos eles interferem na realização do orçamento.

Custos diretos são aqueles que são facilmente identificados e objetivamente mensuráveis (Fehmi e Martin 2006). É o que ocorre quando se consegue saber à partida a quantidade de recursos necessários. O conhecimento, a priori, destes pré-requisitos, permite associar um preço tabelado a cada recurso. Neste domínio, pode-se referir a título de exemplo o ordenado base dos operários dos vários sectores, porque este se encontra tabelado. Pode-se saber também o preço de determinado volume de material, visto que ele está representado por uma massa que tem um determinado custo por kg.

Custos indiretos não são facilmente identificados, nem mensurados de forma objetiva (Fehmi and Martin 2006). Por exemplo, o valor que se paga pela experiência profissional dos operários, a mão-de-obra representada pelo trabalho dos departamentos auxiliares: supervisores, controladores de qualidade, etc, (Jung 2002).

Os custos diretos e indiretos podem ser fixos e variáveis. Os custos fixos não variam com a taxa de produção (Jung 2002). Ex: o ordenado de um operário, alugueis de equipamentos e instalações. Os custos variáveis dependem da taxa de produção. Ex: quantidade de material e ferramentas consumidas.

5

2.1.2.

Importância da estimativa de custos na fase inicial

Durante a fase de design, as decisões tomadas relativamente às características do produto podem influenciar significativamente os custos do projeto numa fase mais avançada (Fehmi e Martin, 2006). Há estudos que mostram que o design representa um custo de 10% no preço final do produto, mas as decisões tomadas pelos profissionais responsáveis (geometria a obter, sequência de maquinagem, etc..) nesta fase, afetarão 70% dos custos futuros da produção do produto (Figura 2), (Shehab e Abdalla 2001). Por este motivo, a estimativa dos custos nesta fase deve ser o mais precisa possível visto que ainda se trata de uma fase bastante prematura do projeto. A maior dificuldade é encontrar informação tecnológica detalhada sobre o item a fabricar (Locascio 2000).

É de referir também que uma alteração no projeto quando este já se encontra definido e planeado, implica, na maior parte dos casos, uma solução dispendiosa (Roy, Souchoroukov e Griggs 2008).

Figura 2: Influencia dos diferentes departamentos de uma empresa nos custos futuros de um produto (Adaptado de Souchoroukov, 2004)

2.2.

Métodos de Estimativa

O orçamento é a capacidade de estimar e prever o custo dos recursos e das atividades necessárias para a produção de um produto (Ou-Yang e Lin 1997). Um orçamento pode utilizar um método que melhor lhe convenha, ou pode mesmo utilizar mais que um método (Duverlie e Castelain 1999).

6

Investigadores como Saptiora, Kiswanto e Soemardi 2014 e Shehab e Abdalla 2001, identificam vários métodos para estimar os custos de uma produção e classificaram-nos em métodos qualitativos e quantitativos (Figura 3).

Figura 3: Métodos de estimativa de custos (Adaptado de Niazi 2006)

Método intuitivo para estimar custos

O método intuitivo é baseado em técnicas que usam a experiência pessoal, ex: os anos de trabalho dos profissionais, são um fator facilitador da intuição. É nesse domínio que é estimado o custo para peças e conjuntos. A informação pode ser guardada em bases de dados, ou como um conjunto de regras base a seguir (Niazi 2006, Saptiora, et al. 2014).

Método analógico para estimar custos

Este método utiliza como critério a semelhança do produto que se vai fazer com outros já fabricados. Através de bases de dados com o histórico do produto semelhante já fabricado, é criado o método de estimativa de custo para o novo produto (Tandon e Kishawy 2002, Niazi 2006, Dwi et al. 2014).

Método paramétrico para estimar custos

Métodos paramétricos usam relações matemáticas para expressar o custo. Para tal, é criada uma função que integra diversas variáveis, responsáveis por alterar o custo de um determinado produto. Exemplos destas variáveis são o tempo de maquinagem, o número de ferramentas utilizadas e o tempo de preparação da máquina. Esta metodologia é utilizada quando essas variáveis são facilmente identificado (Qian e Ben-Arieh 2008).

Método analítico para estimar custos

Este método requer que se decomponha o produto em unidades elementares, operações e atividades que representem os diferentes recursos consumidos durante a produção, e expressem o custo como a soma de todos esses elementos (Aderoba 1997).

Qualitativo

Quantitativo

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2.3.

Dados necessários para realizar um orçamento

Como foi visto na secção 2.1.2, a estimativa de custos desempenha um papel importante no ciclo de desenvolvimento do produto. Depois de uma solicitação para um orçamento, os responsáveis por esta tarefa juntam a informação necessária, para dar início a esta fase (Shehab e Abdalla 2001).

Estimativas precisas permitem analisar a margem de lucro possível a obter, avaliar o nível de competitividade face a outras empresas e simplificar o investimento na aquisição de uma ferramenta, por exemplo (Rajkumar 2011, Souchoroukov 2004). Para que a estimativa seja precisa, é necessário: identificar o material, o processo de fabrico, a máquina, a mão de obra e a ferramenta de corte.

Tabela 2: Dados necessários para se realizar um orçamento preciso (Adaptado Rajkumar, et al. 2011)

Material

O material pode ser identificado pelas especificações técnicas do produto, desenhos, lista de materiais ou modelos físicos. Se estes documentos não estiverem disponíveis, os estimadores utilizam o seu próprio julgamento. O fabrico de componentes gera desperdício, sucata, que tem de ser tida em consideração por aumentar o custo total do material.

Processo de fabrico

É importante que o responsável tenha conhecimento do ponto de vista técnico sobre o produto, visto que vários processos de fabrico podem ser utilizados. Para selecionar o processo de fabrico, é preciso considerar dois aspetos. Um é o tipo de material que se vai trabalhar; outro é o volume da produção. É de toda a conveniência que se adquira informação sobre o processo mais utilizado na indústria para fabricar um produto semelhante ao que se deseja. A identificação do processo de fabrico normalmente está relacionada com a seleção da máquina para o trabalho.

Máquina

A seleção da máquina é, sobretudo, baseada nas suas características técnicas e é feita através do entendimento dos custos associados, como energia elétrica, água e ar comprimido, juros e depreciação do investimento do capital da máquina. De facto, estes custos são, em princípio, atribuídos à máquina, porque constituem fatores que possibilitam a sustentabilidade da produção. Ocasionalmente, é necessário efetuar manutenção, reparação e, com mais frequência, limpeza. Estas tarefas agravam os custos de máquina, e devem ser tidos em conta na estimativa.

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Mão de Obra

A mão de obra é dividida em direta e indireta. A direta considera dois aspetos: o nível salarial do trabalhador e o tempo da operação. A indireta considera trabalhadores que não acrescentam valor ao produto, mas que assistem de alguma forma (supervisionar, vendas e limpeza), acrescentando valor à produção. A margem salarial de um trabalhador varia com o tipo de indústria, e também pela comparação que é feita entre as empresas que trabalham na mesma área. Este fator é incluído na estimativa de custos.

Ferramenta

Uma ferramenta, normalmente, é utilizada para fabricar várias peças. Portanto, quando se estima os custos das ferramentas, é importante saber aproximadamente quantas peças podem ser produzidas com uma só ferramenta, para que se estime quantas são necessárias adquirir, para fabricar o lote desejado.

Neste estudo, o processo a utilizar é a maquinagem e, como tal, é necessário possuir alguns conhecimentos teóricos sobre as operações que se vão estudar, de forma a ser possível interpretar a maquinagem do ponto de vista económico.

2.3.1.

Teoria de maquinagem

Toda a peça mecânica evolui de um estado inicial, correspondente ao semi-produto ou esboço (peça em esboço), até à peça final acabada (Completo, et al. 2009). O valor acrescentado ao produto é representado pelo conjunto de operações de maquinagem, entre o estado inicial e final. Ao conjunto de documentos onde são definidas, de maneira cronológica e global, as diferentes fases de transformação da peça por maquinagem, designa-se por sequência de maquinagem (uma fase de transformação representa um conjunto de operações a efetuar, num mesmo posto de trabalho, num mesmo posicionamento e fixação da peça), (Stephenson e Agapiou 2016).

As operações de maquinagem tomam designações diferentes, dependendo da máquina-ferramenta, ferramentas de corte utilizadas e dos movimentos gerados. Para gerar uma superfície por maquinagem, são necessários, no mínimo, dois movimentos simples: o movimento de corte e o movimento de avanço (Completo, et al. 2009). O movimento de corte, dependendo do processo utilizado (figura 2.4), poderá ser um movimento de rotação da ferramenta (fresagem e furação) ou da peça (torneamento). O movimento de avanço corresponde à mudança de posição da peça relativamente à ferramenta, durante a criação da superfície de corte. Considera-se também o movimento de penetração, aquele que corresponde à espessura da camada de material a remover durante a operação de corte (Singal 2008). Este movimento é de translação, e tem a direção perpendicular às direções de avanço (Completo, et al. 2009).

9

Figura 4: a) Torneamento: 1 – rotação da peça, 2 – avanço da ferramenta, 3 – penetração; b) Fresagem (Adaptado de SANDVIK Coromant)

O torneamento depende dos seguintes parâmetros: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte (figura 5b). A velocidade de corte (m/min) é obtida pela expressão (2.1).

𝑣𝑐=

𝑛 × (𝐷₁+ 𝐷₂) × 𝜋

1000 × 2 , (2.1)

em que 𝑛 (rpm) é a velocidade do fuso, 𝐷₁ e 𝐷₂(mm) é o diâmetro inicial e final da peça e 𝑣_𝑐(m/min) é a velocidade de corte (Stephenson e Agapiou 2016).

A taxa de remoção do metal no torneamento 𝑄 (cm3_{/min) é obtida por:}

𝑄 = 𝑓 × 𝑣_𝑐× 𝑎_𝑝 , (2.2)

em que 𝑓 (mm/rot) é o avanço por rotação, 𝑣𝑐(m/min) a velocidade de corte, 𝑎𝑝(mm) é a profundidade de corte. No torneamento, o volume de material a remover numa determinada operação é determinado pela diferença entre o volume inicial e o volume final desejado (Winston e Knight 2006).

A operação de fresagem depende dos seguintes parâmetros: velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte e o número de dentes da fresa. Na fresagem, a velocidade de corte é obtida pela equação (2.3).

𝑣𝑐 =

𝑛 × 𝐷𝑓 × 𝜋

1000 , (2.3)

10

Figura 5: Fresagem com fresa a) avanço por dente de uma fresa, b) largura de corte com uma fresa (Adaptado de SANDVIK Coromant)

𝑓_𝑧 = 𝑣𝑓

𝑛 × 𝑧_𝑐 , (2.4)

em que 𝑣𝑓 (mm/min) é a velocidade de avanço e 𝑧𝑐 é o número de dentes (figura 2.5a). A taxa de remoção do metal na fresagem 𝑄, é dada pela equação (2.5).

𝑄 =𝑎𝑒× 𝑣𝑓× 𝑎𝑝

1000 , (2.5)

em que 𝑎𝑒(mm) é a largura da fresada (figura 2.5b).

O desempenho da furação depende do material envolvido, da geometria da broca, da velocidade da árvore, e do avanço (Juneja 2003). O avanço por rotação 𝑓, é dado pela equação 2.6.

𝑓=𝑣𝑓

𝑛 (2.6)

A taxa de remoção do metal na furação, 𝑄, é obtida pela equação (2.7).

𝑄 =𝐷𝑓× 𝑣𝑐× 𝑓

4 (2.7)

Por fim, o tempo de corte 𝑡_𝑐 (min) para as operações anteriores é obtido por:

𝑡_𝑐=𝑉

11

em que 𝑉 (cm3_{), é o volume a remover. O tempo de corte corresponde à situação em que a ferramenta}

entra em contacto com o material a remover.

2.3.2.

Economia de maquinagem

Quando o processo de fabrico utilizado é a maquinagem, o custo depende sobretudo do tempo de corte das operações (Singal 2008). A taxa de velocidade desempenha um papel importante na determinação do tempo de corte. Se o material for removido a baixa velocidade, o tempo para completar a operação aumenta. Consequentemente, o custo de mão-de-obra, de máquina e despesas gerais de fábrica crescem, aumentando assim o custo final de fabrico (Stephenson e Agapiou 2016). Se, na mesma situação, a velocidade aplicada for alta, o desgaste das ferramentas é maior causando mais paragens da máquina, obrigando à sua substituição. Como resultado o custo de ferramenta e o tempo improdutivo aumentam (Stephenson e Agapiou 2016). A sequência de maquinagem é importante, porque se trata de uma das etapas essenciais para reduzir ao máximo os custos de produção, garantindo a qualidade do produto final (Completo, et al. 2009). Posto isto, é importante considerar alguns aspetos, nomeadamente, a redução do tempo de transporte entre fases e reduzir ao máximo os tempos de montagem e desmontagem da peça entre fases (tempos improdutivos). Quando se fala em médias e grandes séries, o sistema de apoio e aperto deve ser desenvolvido especificamente, de forma a reduzir os tempos de posicionamento e de aperto da peça na máquina (Completo, et al. 2009).

Os tempos improdutivos, são gerados pelo tempo em que a ferramenta de corte não se encontra a remover material, ou quando a máquina está parada (Juneja 2003). Alguns dos fatores mais relevantes, são o carregamento e descarregamento da peça a maquinar, o setup da máquina e das ferramentas, o tempo de troca de ferramenta e o tempo em vazio (Dewhurst e Boothroyd 1988, Singal 2008 Completo, et al. 2009).

 Montagem e desmontagem da peça: Estes tempos são função do peso e volume do material a maquinar, do tipo de máquina ferramenta e do aparelho de fixação.

 Setup da máquina: O setup de uma máquina está relacionado com o tempo despendido para o planeamento das operações de maquinagem. Nesta fase, é definido o percurso da ferramenta por operação, assim como o avanço, a velocidade de corte, a profundidade de corte, etc. No caso da utilização de CNC, adiciona-se o custo da programação.

 Setup da ferramenta: Está relacionado com o tempo que leva a fixar as ferramentas na máquina- ferramenta, que gera custos improdutivos.

 Troca de ferramenta: Sempre que uma ferramenta se desgasta, necessita de substituição, ou seja, a introdução de uma nova ferramenta ou de uma nova aresta de corte. Consequentemente, cria-se um intervalo de tempo em que a máquina não se encontra em trabalho. Isto agrava os custos não

12

produtivos. Se diferentes ferramentas são utilizadas, existem custos adicionais de aproximação e de indexação causados pela nova ferramenta.

 Tempo em vazio: Os custos de fabrico são agravados, devido ao tempo perdido com a aproximação e afastamento da ferramenta numa nova operação.

As frequentes alterações nos produtos, com o objetivo, de baixar os seus custos de produção conduzem à elevada competitividade do mercado (Ben-arieh, et al. 2002). Isto impõe uma redução do tempo de conceção logo, do tempo de estudo das sequências de maquinagem. Por conseguinte, a engenharia de processo ou métodos, apoia-se no eficaz conhecimento dos processos tecnológicos de produção instalados na empresa. Tal como foi referido no método analógico, no desenvolvimento de uma nova peça é preciso encontrar similitudes com aquelas em que já se controla na perfeição o seu processo de fabrico. Quanto maiores as similitudes, maior será a capacidade de previsão e rapidez na colocação da série a fabricar em produção. Os documentos do processo de industrialização existentes na empresa (sequência de maquinagem, fichas de fase, cartas de controlo, etc.), constituem um banco de dados consultável pelos engenheiros e técnicos que trabalham nas fases de preparação de trabalho dos novos produtos. Quando não existem similitudes com outras peças, torna-se fundamental a criação de novos documentos, com os parâmetros tecnológicos da sequência de maquinagem do novo produto, constituindo assim uma nova memória da empresa acessível aos diferentes intervenientes no processo produtivo (Completo, Festas e Davim 2009). A partir de uma geometria de base da peça, é possível associar um conjunto composto de máquina-ferramenta, de ferramenta e de operação, para efetuar a maquinagem. A isto denomina-se entidade. A entidade representa um conjunto de dados tecnológicos que consiste num conjunto de soluções possíveis de maquinagem. Esta, vai permitir procurar a adequação entre a forma geométrica a gerar e a ferramenta a utilizar para a máquina prevista. (Liu et al. 2013, Jung 2002) ).

As máquinas de controlo numérico computorizado (CNC) de alta velocidade são uma solução para reduzir os tempos improdutivos do fabrico, assim como outros aspetos expostos mais à frente (Ruffo, et al. 2006). Sem necessidade de presença do operador, diferem das máquinas convencionais, pelos seus movimentos totalmente independentes do operador. CNC é uma técnica que consiste em dirigir o funcionamento de uma máquina a partir de um programa, sem intervenção direta do operador durante a sua execução (Davim e Correia 2006).

2.3.3.

Controlo numérico por computador

Atualmente, apesar do elevado investimento em sistemas de controlo numérico, este pode ser utilizado de maneira económica para pequenas séries, ou mesmo para peças unitárias, em particular se as mesmas não implicam formas complexas (Davim e Correia 2006). Isto é possível devido ao avanço da microeletrónica e da informática industrial, que permitem grandes capacidade de cálculo de CPU do controlador. O ganho no tempo de execução, traduz-se em prazos de realização mais

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curtos e numa maior disponibilidade do equipamento para a conceção de novas séries. Estes ganhos resultam de diferentes fatores (Tabela 3), (Completo, et al. 2009).

Tabela 3: Melhorias em relação a métodos convencionais (Davim e Correia 2006)

Redução dos tempos improdutivos

Colocação em posição das ferramentas à velocidade de avanço rápido, possibilidade de proceder a trocas automáticas da ferramenta; pela possibilidade de troca de mesa de trabalho e pela aplicação da variação contínua das velocidades;

Supressão de operações

Que seriam necessárias para efetuar um trabalho preciso, traçagem e utilização de operações de ponteamento;

Realização de superfícies complexas Gerando movimentos em simultâneo nos diferentes eixos;

Definição de condições operatórias ideias

Possibilidade de variar em contínuo a velocidade de corte e, assim, aumentar a vida da ferramenta;

Atenuação do fator humano Garantindo repetitividade e grande precisão de execução, o que diminui as tarefas de controlo;

Permissão de flexibilidade

Facilidade oferecida em técnicas de modos de carregamentos dos programas e de armazenamento de dados;

Integração de equipamentos periféricos

Banco de medida de ferramentas, manipuladores, eixos rotativos automáticos, sistemas de aperto-peça automáticos e medição integrada.

Para além das melhorias relativamente às máquinas convencionais, os sistemas CAD/CAM são responsáveis por garantir o máximo de eficiência da produção, servindo como auxílio para que máquinas e trabalhadores optem pelas melhores soluções, tanto a nível de sequência, como ferramenta a utilizar. Os sistemas CAD fornecem uma série de ferramentas para a construção de entidades geométricas planas (linhas, curvas e polígonos) e tridimensionais (cubos, esferas, etc.). Existem modelos CAD específicos que simulam as condições de fabrico, ou seja, utilizam as mesmas ferramentas utilizadas no chão de fábrica (estes geralmente designados por CAM). O CAM trabalha com base nos modelos matemáticos provenientes do sistema CAD. Através desses modelos, os sistemas geram um arquivo com o caminho da ferramenta através de um pós-processador (software que gera o programa de comando específico da máquina). Devido a isto, os sistemas CAM permitem

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transferir todas as coordenadas para as máquinas CNC efetuarem a maquinagem da peça (Álvares, et al. 2008).

Entende-se, então, que o custo de fabrico por maquinagem de uma peça é efetuado pela soma do custo do material, da mão-de-obra, máquina e custo das ferramentas de corte (Ferraresi 1969). Para que a estimativa seja o mais fiável possível, é importante adicionar ao custo de fabrico os custos que não são tão facilmente identificados, como as despesas gerais de fábrica e logística, ou seja, custos indiretos (custos de renda de edifício, equipamentos de escritório e salários de supervisores e gestores). Como o cálculo destes custos é uma tarefa que ocupa muito tempo, normalmente é utilizado uma margem percentual. Estas margens são agrupadas, porque o orçamento é efetuado numa fase inicial e, nessa fase, ainda não se possui informação detalhada sobre esses custos. Por exemplo, os custos de vendas e administração geral, que cobrem as atividade administrativas e outras, são agrupados numa margem percentual (Shehab e Abdalla 2001).

Os custos logísticos são todos aqueles que estão associados ao transporte do produto, desde o armazém do fornecedor até ao armazém do cliente. O responsável por avaliar os custos logísticos deve compreender os requisitos de entrega, como por exemplo o tipo de embalamento que se usa para proteger as peças. A localização do fornecedor e o tipo de produto são fatores a ter em conta, e são dados necessários para selecionar o meio de transporte (Rajkumar, et al. 2011).

O custo total da peça é então a soma de todos os custos analisados anteriormente, para além dos custos de não qualidade e inventário (figura 6). A estes é adicionado a taxa de lucro. Este total é o preço estimado que o cliente deve pagar. No entanto, como a estimativa de custos é apenas uma tentativa de aproximação à realidade, o fornecedor pode eventualmente apresentar um orçamento com maior ou menor taxa de lucro (Rajkumar, et al. 2011).

Figura 6: Fatores que influenciam o custo total de um produto Custo total Material Fabrico Mão de obra Máquina Ferramen-tas Despesas

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Síntese:

Neste capítulo, retira-se que os recursos necessários para produzir um produto, representam um custo. Por sua vez, o produto atravessa diversos setores dentro de uma empresa até estar concluído (design, compras, planeamento, produção e vendas). Esses custos, podem ser facilmente identificados (diretos) ou não (indiretos). Com o número de peças a produzir, os custos, aumentam, diminuem (variáveis), ou, permanecem constantes (fixos).

De forma a prever os custos de um produto numa fase inicial, recorre-se a métodos qualitativos, ou quantitativos. Dentro dos qualitativos, utiliza-se como critério a experiencia de um profissional da área (intuitivo), ou a semelhança do novo produto com outros produtos já produzidos pela empresa (analógico). No caso dos métodos quantitativos, recorre-se a relações matemáticas (paramétrico), ou na decomposição do componente em unidade elementares (analítico). Em muitos casos, conjugam-se vários critérios.

Para a estimativa ser precisa, é necessário obter-se dados relativos ao material, processo, máquina, mão de obra e ferramentas a utilizar. Quando se utiliza a maquinagem como processo, o tempo de operação é responsável por variar o custo de fabrico. Como tal, a redução dos tempos improdutivos, torna-se importante, no sentido de aumentar a eficiência do processo. A utilização de sistemas de controlo numérico CNC, reduz os tempos improdutivos, confere qualidade aos componentes maquinados, entre outras melhorias.

Em suma, com este capítulo entende-se que os custos de um produto, são compostos pelos custos de material, fabrico, despesas gerais e logísticos.

17

3.

Metodologia

Dando seguimento ao referido no capítulo 2, pretende-se neste capítulo desenvolver o método, para estimar os custos de maquinagem. Neste sentido, serão desenvolvidos um conjunto de fórmulas e associações capazes de efetuar um orçamento.

3.1.

Formulação do problema

O maior problema em desenvolver um ambiente integrado para a realização de um orçamento, é identificar e relacionar os fatores que permitem, numa fase inicial (planeamento), realizar uma estimativa dos custos futuros. Com esta previsão, é possível realizar alterações a nível do projeto, de forma a diminuir os custos (já referido no capítulo 2, secção 2.1.2). Com base neste problema, são levantadas duas questões.

Quais os fatores que afetam o custo de produção? Qual a informação necessária para um sistema que avalia os custos?

Como foi referido no capítulo 2, existem em todas as fases do ciclo de desenvolvimento de um produto, recursos que contribuem para o seu custo final. Na maquinagem, o tempo de operação é determinante na variação do custo de uma peça (referido no capítulo 2 secção 2.3.2). Isto porque, é o tempo que faz variar os custos que se conseguem prever na fase inicial (custos estes diretos, como o custo da mão de obra, da máquina e da ferramenta de corte). Assim sendo, é necessário relacionar o tempo de maquinagem com o fator económico dos recursos utilizados na produção.

Além do fator tempo, é necessário compreender que numa fase inicial de desenvolvimento do produto, não se possui um conhecimento detalhado sobre os parâmetros a utilizar no processo (Ficko et al. 2005). Há, no entanto, ainda, dois fatores decisivos nesta fase que convém não esquecer, porque estes influenciam bastante o custo de produção de uma peça. Estes são, a complexidade das formas geométricas que constituem a peça a fabricar (também referido no capítulo 2 secção 2.3.2) e a sua rugosidade superficial (Ou-Yang e Lin 1997). No geral, estes três fatores (tempo, forma geométrica e rugosidade) não devem ser determinados separadamente. Por exemplo, a forma geométrica de uma peça requer um tipo de processo, que por sua vez implica um tipo especial de máquina, com um custo associado. Por outro lado, a mesma forma geométrica com outro tipo de rugosidade, pode requerer um tipo de processo de fabrico totalmente diferente. Por conseguinte, os dados fornecidos para a realização do fabrico devem ser incorporados num sistema de análise de custos, com os inputs apresentados na Tabela 4.

18

Tabela 4: Inputs do sistema de estimativa (Jung 2002)

Geometria Máquina Ferramenta Material

Classe Tipo Tipo Tipo

Operação Número de máquina Número Perfil

Identificação Dimensões

A estes inputs, são adicionados o tamanho do lote a produzir, a potência da máquina, o setup da máquina, o setup por ferramenta e o tipo de fixação (Jung 2002, Taiber 1996). As máquinas-ferramenta utlizadas para o desenvolvimento da estimativa de custos são o centro de maquinagem e o torno CNC que se encontram na oficina do departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro. As aplicações de fresagem e furação são realizadas pelo centro de maquinagem, enquanto as de torneamento pelo torno CNC.

Como se tratam de sistemas físicos, existem limitações relativas às condições de corte, caraterísticas essas do sistema máquina-ferramenta-peça, que são: a força máxima de corte admissível, a temperatura de corte, profundidade, velocidade, avanço, potência, vibração, limites de curso e limitações geradas pela qualidade de peça requerida.

As condições que garantem o funcionamento correto quer da máquina-ferramenta, quer das ferramentas de corte, encontram-se na ficha técnica dos equipamentos (Anexo C). A velocidade de corte e o avanço, para efetuar as operações de maquinagem pretendidas, são obtidos pela consulta do catálogo de ferramentas de corte SANDVIK Coromant. A seleção é feita a partir da geometria a maquinar, do material a maquinar, a qualidade requerida e as limitações do sistema.

3.2.

Relações dos parâmetros de maquinagem com o custo

De acordo com o que foi exposto no capítulo 2, na secção 2.3, o custo total de produção de uma unidade 𝐶𝑇 (€), é:

𝐶𝑇 = 𝐶𝑀 + 𝐶𝑀_𝑎+ 𝐷𝐺_𝑓+ 𝐿 + IVA , (3.1) em que 𝐶𝑀 (€) é o custo de maquinagem, 𝐶𝑀𝑎(€) é o custo do material , 𝐷𝐺𝑓 (€) são as despesas gerais de fabrica, 𝐿 (€) são os custos associados com a logística e IVA o valor dedutível (€) é o custo associado aos impostos (Juneja 2003) .

Para se obter o custo de maquinagem, como falado anteriormente, é necessário calcular o tempo de maquinagem. Este é dividido em tempo produtivo e improdutivo (Ferraresi 1969). O tempo produtivo é o somatório do tempo de cada operação 𝑇𝑜 (min) (Stephenson e Agapiou 2016). Este é traduzido pela equação (3.2),

19

𝑇_𝑜 = 𝑡_𝑐+ 𝑡_𝑣+𝑡𝑒𝑡 60+

𝑡𝑐

𝑇 × 𝑡𝑙 , (3.2)

em que, 𝑡_𝑐(min) é o tempo de corte, 𝑡_𝑣 (min) é o tempo de vazio, 𝑡_𝑒(s) é o tempo de aproximação/afastamento da ferramenta ao material de trabalho, 𝑇 (min) é o tempo de vida da ferramenta, e 𝑡_𝑙(min) é o tempo de afiação ou introdução de nova aresta de corte na ferramenta. Neste trabalho, o tempo de aproximação 𝑡𝑒(min) vai ser considerado 0 s para o torneamento e furação, no caso da fresagem, é calculado pela equação (3.3).

𝑡_𝑒𝑡=𝐷𝑓

𝑣_𝑓 (3.3)

O tempo em avanço rápido 𝑡_𝑣(min), é dado pela equação 3.4.

𝑡_𝑣 =𝐿𝑟

𝑣𝑟 , (3.4)

em que 𝐿_𝑟 (mm) a distância percorrida em avanço rápido e 𝑣_𝑟 (m/min) é a avanço rápido. A velocidade de avanço rápido é obtida pelas especificações da máquina, este valor é muito elevado e, consequentemente, 𝑡_𝑣, é, em muitos casos, desprezável. Aqui vai ser considerado que 𝑡_𝑣 é 15% de

𝑡_𝑐. Já o tempo improdutivo 𝑇_𝑛(min), é dado pela soma dos tempos em que não se remove material (equação 3.5).

𝑇_𝑛= 𝑡_𝑠× 60 +𝑡𝑙𝑡+ 𝑡𝑡𝑓

60 + 𝑡𝑟+ 𝑡𝑖 , (3.5)

em que 𝑡_𝑠 (h) é o tempo de preparação da máquina, 𝑡_𝑙𝑡(s) é o tempo de carregamento/descarregamento da peça na máquina, 𝑡_𝑡𝑓 (s) é o tempo de troca de ferramenta, 𝑡_𝑟(min) é o tempo de reposicionamento da peça e 𝑡𝑖 (min) é o tempo de controlo dimensional da peça. O tempo de setup, é a soma do tempo de configuração da máquina-ferramenta e de cada ferramenta utilizada. Assim sendo 𝑡_𝑠(h) é dado pela equação (3.6).

𝑡_𝑠 = 𝑡_𝑠𝑚+ ∑(𝑡_𝑠𝑡

𝑛 𝑖=1

)_𝑖 , (3.6)

em que 𝑡_𝑠𝑚 (h) é o tempo de configuração da máquina e 𝑡_𝑠𝑡 (h) é o tempo de configuração de cada ferramenta utilizada no fabrico. Na Tabela 5, está representado alguns tempos de setup para algumas máquinas-ferramenta.

20

Tabela 5: Tempos de set-up para algumas máquinas-ferramentas (Adaptado de Singal 2008)

Máquina-Ferramenta Tempo de set-up, Máquina (s) Tempo de set-up, Ferramenta (s) Torno convencional 4300 800 Torno Semi-automático 1620 720 Torno CNC 1800 540 Centro de maquinagem 2500 180 Fresadora Vertical 5500 - Broca manual 860 -

A Tabela 6 representa o 𝑡𝑙𝑡traduzido pelo peso do material a maquinar para alguns sistemas de fixação.

Tabela 6: Tempo em segundos de carregamento/descarregamento de diferentes pesos de peças de trabalho (Adaptado de Singal 2008)

Sistema de fixação

Peso da Peça de trabalho (kg)

0-0,2 0,2-4,5 4,5-14 14-27 Bucha universal 16 23 32 53 Bucha de quatro grampos 34 41 50 71 Prensas 16 19 24 40 Gabarito 26 33 42 - Mesa Magnética 3 5 8 -

O tempo de troca de ferramenta 𝑡_𝑡𝑓 (min), no caso de CNC, é o tempo que decorre quando a ferramenta viaja até à torreta e é substituída por uma nova ferramenta, este tempo é expresso em 3.7.

𝑡_𝑡𝑓= 𝑁_𝑓× 𝑡_𝑓 (3.7)

em que 𝑁_𝑓 é o numero de ferramentas utilizada e 𝑡_𝑓(min) é o tempo de troca de ferramenta na torreta. Posto isto, o tempo de produção por peça, ou, tempo total por peça 𝑇𝑡(min), para um lote de N peças, é dado pela equação 3.8.

𝑇_𝑡 = 𝑇_𝑛+ ∑ 𝑇_𝑜𝑖

𝑛 𝑖=1

21

O custo de maquinagem 𝐶𝑀, é calculado pelo produto do custo da máquina e da mão de obra com os tempos improdutivos, adicionando, também os custos por operação (equação 3.9), (Stephenson e Agapiou 2016). 𝐶𝑀 = (𝐶_𝑚+ 𝐶_𝐿)𝑇𝑛 60+ ∑ 𝐶𝑜𝑖 𝑛 𝑖=1 , (3.9)

em que 𝐶𝑚(€/h) é o custo associado à máquina, 𝐶𝐿 (€/h) o custo da mão de obra, 𝑇𝑛(min) o tempo não produtivo e 𝐶𝑜(€/h) é o custo por operação. Este último é o somatório do custo de todas as operações de maquinagem (equação 3.10).

𝐶_𝑜 = (𝐶_𝑚+ 𝐶_𝐿) (𝑡𝑐+ 𝑡𝑣+

𝑡𝑒𝑡

60) 60 + ( 𝑡𝑐

𝑇) [60(𝐶𝑚+ 𝐶𝐿)𝑡𝑙+ 𝐶𝐹] , (3.10)

em que 𝐶𝑓(€) o custo da ferramenta. O método para estimar os custos de uma ferramenta depende do tipo de ferramenta usada (Winston e Knight 2006). Para ferramentas que podem ser novamente afiadas-ferramentas inteiriças- a expressão seguinte, pode ser utilizada para estimar o custo com a ferramenta 𝐶_𝐹 , em €.

𝐶_𝐹 = 𝐶𝑡𝑒

𝑛𝑎+ 𝐶𝑓 , (3.11)

em que 𝐶_𝑡𝑒 (€) é o custo da ferramenta, 𝑛𝑎 é o número de novas afiações possíveis e 𝐶_𝑓(€) é o preço de compra da ferramenta. Quando se trata de pastilhas de corte, o custo da ferramenta é expresso pela equação 3.12 (Winston and Knight 2006).

𝐶𝐹=

𝐶_𝑡𝑒

𝑛𝑡 + 𝐶𝑓 , (3.12)

em que 𝑛𝑡 é o número de arestas de corte por pastilha. Reescrevendo a expressão 3.11, fica:

𝐶𝑜 = 𝐶1+ 𝐶2 , (3.13)

em que 𝐶1=(𝐶𝑚+ 𝐶𝐿) (𝑡𝑐+ 𝑡𝑣+𝑡₆₀𝑒𝑡) 60 caracteriza o custo da remoção de material e

𝐶₂=(𝑡𝑐

𝑇) [60(𝐶𝑚+ 𝐶𝐿)𝑡𝑙+ 𝐶𝐹] o custo da ferramenta. O custo de maquinagem 𝐶𝑀𝑝 (€) por peça num lote de N peças, é dado pela equação 3.14.

𝐶𝑀_𝑝= (𝐶_𝑚+ 𝐶_𝐿) (𝑡𝑠

𝑁+ 𝑡𝑙𝑡+ 𝑡𝑡𝑓× 𝑁𝑓+ 𝑡𝑟+ 𝑡𝑖) + ∑ 𝐶𝑜𝑖

𝑛 𝑖=1

, (3.14)

escrito de outra forma, a equação 3.14 fica:

𝐶𝑀_𝑝= 𝐶₃+ ∑ 𝐶_𝑜𝑖 ,

𝑛 𝑖=1

22

em que 𝐶₃=(𝐶𝑚+ 𝐶𝐿) (𝑡_𝑁𝑠+ 𝑡𝑙𝑡+ 𝑡𝑡𝑓× 𝑁𝑓 + 𝑡𝑟+ 𝑡𝑖) caracteriza o custo de máquina parada. Para se obter o custo total de produção é adicionado a este o custo do material e das despesas gerais de fábrica. O 𝐶𝑀_𝑎 (€) é dado por:

𝐶𝑀𝑎= 𝑉𝑝× 𝜌 × 𝐶𝑚𝑎× 1000 , (3.16) em que 𝑉_𝑝 (cm3_{) é o volume do material, 𝜌 (g/cm}3_{) é a densidade do material, 𝐶}

𝑚𝑎(€/kg) é o preço do material por kg (Shehab e Abdalla 2001). O volume 𝑉𝑝 corresponde ao perfil a partir do qual se vai obter a geometria desejada.

As despesas gerais de fabrico, são somadas aos custos de maquinagem e de material, sob a forma de margem percentual (como se viu no capítulo 2, secção 2.3.3) que engloba custos administrativos, logísticos, marketing, entre outros.

3.3.

Informação necessária para o sistema que avalia os custos

Para desenvolver um ambiente integrado, capaz de interpretar os dados introduzidos e gerar uma estimativa de custo, recorreu-se ao Microsoft Excel. No programa, são criadas folhas de cálculo que permitem relacionar os tempos obtidos com o custo, a partir da seleção dos parâmetros de corte, para as operações de fresagem, torneamento e furação. Essas folhas são apresentadas no Anexo A.

3.3.1.

Desenvolvimento do ambiente integrado para estimar custos

Inicialmente, cria-se a relação entre algumas geometrias base e as operações mais comuns para as maquinar. Seguidamente, associa-se a ferramenta de corte frequentemente mais utilizada para cada geometria base/operação. Ao conjunto geometria base/operação/ ferramenta, é adicionada a máquina ferramenta com indicação da qualidade mínima e máxima possível de obter com o equipamento. Aqui também é apresentada a gama de rugosidades utilizadas pela norma ISO. A folha seguinte, apresenta as dimensões de comprimento para cada geometria base, permitindo o cálculo do volume que se pretende remover. A descrição das características técnicas das ferramentas de corte utilizadas nas operações de maquinagem, são descritas pelo utilizador e armazenadas numa folha de cálculo. Como na oficina do departamento se trabalha, sobretudo, com as máquinas CNC, é estabelecida uma folha de cálculo tanto para o torno CNC, como para o centro de maquinagem onde se introduzem os parâmetros de corte para cada operação, obtendo-se o tempo de maquinagem e o custo relativo à operação e à ferramenta. Por fim, é criada outra folha de cálculo que incorpora os custos por operação com os restantes custos de produção (improdutivos, material, etc) indicando assim o preço por peça obtido.

23

3.3.2.

Desenvolvimento da folha orçamental para estimar custos

Primeiramente, criou-se uma folha de cálculo que armazena todos os dados do cliente. Seguindo o mesmo modelo, gera-se uma folha com os detalhes do produto a fabricar e, com estas duas informações, surge a folha final de orçamento. A figura 7, ilustra a folha de orçamento proposta para os casos de estudo, que serão apresentados no Capítulo 4.

Figura 7: Folha de orçamento proposta (Anexo A)

>>_{CÓDIGO DO CLIENTE CLI001} >>_LOCALIDADE

>>DATA DA EMISSÃO

>>LINHA #1 [nome do vendedor]

>>_{LINHA #2 [digite aqui todas as formas de contato: telefones, email]}

DADOS DO CLIENTE

JOSÉ - 910225534 - JOSEAFERREIRA@UA.PT JOSÉ (0000.000.00)

DETALHE DO PEDIDO

COD DESCRIÇÃO DO PRODUTO QTD UND VL. UNIT. VL. TOTAL

PRD001 P1 1 KG 78,44 € 78,44 € INTRODUZIR MAIS PRD002 P2 1 KG 90,69 € 90,69 € INTRODUZIR MAIS PRD003 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD004 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD005 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD006 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD007 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD008 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD009 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD010 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD011 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD012 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD013 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD014 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD015 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD016 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD017 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD018 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD019 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD020 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD021 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD022 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD023 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD024 0 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS PRD025 0 0,00 € 0,00 € INTRODUZIR MAIS

VALOR TOTAL DO PEDIDO 169,12 €

DESCONTO 5,0% 8,46 €

TOTAL PARCIAL (SEM FRETE) 160,66 €

CUSTOS COM TRANSPORTE (FRETE) 0,00 €

ORÇAMENTO FINAL 160,66 €

ORÇAMENTO Nº.

20171211153134

DADOS PERSONALIZADOS PARA PREENCHIMENTO DO FORMULÁRIO

CLIQUE PARA INTRODUZIR TODOS OS CLIENTES 11-12-17

25

4.

Casos de estudo

Depois de desenvolvida a metodologia para calcular o preço de um item, surge este capítulo com o objetivo de aplicar a mesma. Para tal, criaram-se dois casos de estudo. Estes casos, são uma peça cilíndrica e outra prismática, a serem efetuadas no torno CNC e no centro de maquinagem, respetivamente. De forma a simular os tempos de fabrico, recorreu-se a um sistema CAM, o Autodesk Fusion 360.

4.1.

Caracterização dos casos de estudo

A peça da Figura 8a, designada por P1, será produzida pelo torno CNC e a peça da Figura 8b, designada por P2, como é prismática e requer furação, será produzida pelo centro de maquinagem CNC.

Ambas as peças são obtidas a partir de um semi-produto cilíndrico e prismático (P1 e P2, respetivamente). Os semi-produtos, estão descritos na Tabela 7. Considera-se, que o fornecedor já efetuou a operação de corte nas suas instalações, cuja função é separar a peça inicial do restante corpo. Na peça P1, dá-se a redução de secção até à pretendida, ao longo de um determinado comprimento. Para isso, recorre-se a operações de torneamento. Por sua vez, na peça P2 executa-se operações de fresagem e furação.

Tabela 7: Descrição de semi-produtos utilizados (AÇOS RAMADA 2013)

Peças Designação do material DIN Massa específica (g/cm3₎ Dimensões de perfil (mm) Peso (Kg) Preço (€/Kg) P1 C45E 7,84 Ø85x222 10 2,61 P2 C45E 7,84 80x33x150 3,1 2,99

26

Para cada geometria base, que se pretende obter tanto na peça P1 como P2, identificou-se o conjunto composto de máquina-ferramenta, ferramenta de corte e operação de maquinagem (entidade). Estas entidades, são agrupadas em quatro classes (Figura 9). A primeira classe, inclui as peças cilíndricas, maquinadas sobretudo por operações de torneamento (peça P1). A seguinte, é referente às prismáticas, obtidas maioritariamente por operações de fresagem plana (peça P2). A terceira, inclui novamente características prismáticas, mas obtidas por fresagem de topo e lateral, como caixas internas e cantos (peça P2). Por fim, a quarta é associada às operações de revolução, geradas pela furação (peça P2), (Jung 2002).

Figura 9: Geometrias base e respetivas entidades das peças a maquinar. Adaptado de Jung 2002

A Tabela 8, associa as entidades encontradas na análise de ambas as peças, ao conjunto operação, ferramenta de corte e máquina.

Entidade 70

Entidade 80

Entidade 10

Entidade 30

Entidade 20

Entidade 40

Entidade 60

Volume final

Volume a remover

27

Tabela 8: Associação das geometrias bases encontradas à operação, ferramenta e máquina

Entidade Operação Ferramenta Máquina P1

70 Tornear Pastilha para

torno Torno CNC

80 Facejamento Pastilha para

torno Torno CNC P2 10 Fresagem plana Fresa de pastilhas Centro de maquinagem 20 Fresagem _{plana pastilhas} Fresa de _maquinagem Centro de 30 Fresagem de topo e lateral Fresa inteiriça de topo direito Centro de maquinagem 40 Fresagem de topo e lateral Fresa inteiriça de topo direito Centro de maquinagem 60 Furação Broca _maquinagem Centro de

4.1.1.

Maquinagem de P1

As operações de maquinagem desta peça, foram selecionadas consoante a entidade que cada geometria base representa (Anexos A).

A maquinagem da peça P1, é dividida em duas fases (Tabela 9). A primeira fase, corresponde a uma operação de facejamento, seguida de torneamento. Para a segunda fase, a máquina é parada e o operador roda a peça e posiciona a parte já maquinada na bucha, representado pelos apoios 1, 2 e 3 (ver Tabela 9).

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Tabela 9: Proposta de sequência de maquinagem para a peça P1

Peça: P1 Material – C45E

Fase 10 Máquina: Torno CNC

Desenho

Operações: Ferramentas:

Facejamento Face A Pastilha para torno

Torneamento Face B Pastilha para torno

Fase 20 Máquina: Torno CNC

Desenho

Facejamento Face C Pastilha para torno

Torneamento Face D Pastilha para torno

Os dados de corte para cada operação, no que diz respeito à velocidade de corte, avanço e profundidade de corte, foram obtidos a partir das sugestões do catálogo de ferramentas Sandvik Coromant (Anexos B). Para obter estes parâmetros, teve-se em consideração: o material a maquinar de classe P (classe esta que representa os aços de construção), velocidade máxima de rotação do equipamento utilizado- 4500 rpm -e a geometria base que se pretende maquinar em cada operação (Anexos A). Com o volume a remover (Tabela 10), pela expressão 2.2 chega-se à taxa de remoção de metal (Tabela 11). Por fim, o controlo dimensional de cada operação é realizado por um paquímetro.

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Tabela 10: Volume a remover face à entidade em questão de P1

Nº Entidades (Anexo A) 𝑫_𝟏 (mm) 𝑫_𝟐 (mm) L (mm) 𝑽 (cm3₎ 1 81 85 - 1,5 8,5 2 71 85 82 140 24 3 71 82 52 47 284 4 72 82 52 - 3 5 71 52 20 33 85 6 72 52 20 - 1,8 7 81 85 - 1,5 8,5 8 71 85 52 47 283 9 72 85 52 - 3,5 10 71 52 20 33 85 11 72 52 20 - 1,8

Tabela 11: Ficha de Fase proposta para P1 (SANDVIK - Ferramenta para torneamento 2017)

Peça:P1 Máquina: Torno CNC Setor: Torneamento

Material: C45E Dispositivo de aperto: Bucha de 3 grampos

Operações de Maquinagem Dados de corte Ferramenta

Nº Ref Entidade Vc n fz Vf ap Q Controlo

1 A 81 284 1064 0,707 752 1,5 301 Paquímetro 2 B 71 333 1270 0,350 445 1,5 175 Paquímetro 3 B 71 333 1583 0,350 554 7,5 874 Paquímetro 4 B 72 333 1583 0,350 554 5 583 Paquímetro 5 B 71 333 2946 0,350 1031 3,2 373 Paquímetro 6 B 72 333 2946 0,350 1031 2,4 280 Paquímetro 7 C 81 284 1064 0,707 742 1,5 301 Paquímetro 8 D 71 333 1548 0,350 542 5,5 641 Paquímetro 9 D 72 333 1548 0,350 542 4 466 Paquímetro 10 D 71 333 2946 0,350 1031 3,2 373 Paquímetro 11 D 72 333 2946 0,350 1031 2,4 280 Paquímetro

Como a máquina-ferramenta se trata de um torno CNC e é utilizada apenas uma ferramenta, ao consultar a Tabela 5, 𝑡_𝑠𝑚 e 𝑡_𝑠𝑡, são 0,5 e 0,15 h, respetivamente. Finalizando, pela equação 3.6, 𝑡_𝑠é

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de 0,65 h. Visto que o sistema de fixação é uma bucha de 3 grampos, e a peça pesa 10 kg, pela consulta da Tabela 6, o tempo de carregamento e descarregamento 𝑡_𝑙𝑡, é de 34 s. Como só é utilizado uma ferramenta, 𝑡_𝑡𝑓 não existe. Entre fases, estima-se que o tempo que decorre entre a paragem do sistema e o início da fase seguinte é de 3 min.

4.1.2 Maquinagem de P2

As operações de maquinagem para esta peça foram também selecionadas consoante a entidade que cada geometria base representa (Anexos A).

A peça P2, é obtida através de operações de desbaste, acabamento e furação. A sequência de maquinagem adotada, é apresentada na Tabela 12.

Tabela 12: Sequência de maquinagem proposta para a peça P2

Peça: Material – C45E

Fase 10

Máquina: Centro de Maquinagem

Operações: Ferramentas: Desenho

Facejamento Face A Fresa de pastilhas

Desbaste e acabamento da

Face B Fresa de pastilhas

Desbaste e Acabamento Face C e D

Fresa inteiriça de topo e lateral

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Furação E e F Broca

Furação G Broca de ponto

Novamente, os dados de corte para cada operação, foram obtidos pelo catálogo de ferramentas Sandvik (Anexos B). Teve-se em conta a classe de material a maquinar (classe P), as limitações da máquina- velocidade máxima de fuso de 8100 rpm- e a geometria base a obter (Anexos A). O volume a maquinar está representado na Tabela 13 e as variáveis para o caracterizar na Figura 10. Os parâmetros, que permitem obter a taxa de remoção de metal (pela equação 2.5 para fresagem e 2.7 para furação), são apresentados na Tabela 14. O controlo dimensional, é efetuado por paquímetro e micrómetro, no caso das exigências de rugosidade desta peça.